Zaloguj

ZINTEGROWANA BAZA NOWOCZESNYCH TECHNOLOGII WYTWARZANIA

Obróbka elektroerozyjna materiałów (EDM)

W obróbce elektroerozyjnej wykorzystywana jest energia wyładowań elektrycznych, w odróżnieniu od obróbki skrawaniem, gdzie naddatek jest usuwany przy pomocy energii mechanicznej. Ubytek materiału następuje w wyniku erozji elektrycznej powstałej jako rezultat wyładowań między materiałem obrabianym, a erodą czyli narzędziem.

Przedmiot obrabiany i eroda są zanurzone w cieczy dielektrycznej. W wyniku postępującej erozji elektrycznej i dosuwu elektrody do przedmiotu obrabianego następuje drążenie przedmiotu obrabianego. Równolegle z drążeniem materiału w wyniku działania tych samych zjawisk fizycznych następuje erozja elektrody, co powoduje zmianę jej pierwotnego kształtu. Miarą zużycia erody jest zależność zużycia erody do wyerodowanego materiału. W przypadku obróbki powierzchni kształtowych zużycie erody wynosi od 2 do 10%. Przy zastosowaniu erody o wysokiej wytrzymałości możliwe jest osiągnięcie zużycia poniżej 1%. Najczęściej stosuje erody miedziane, grafitowe, stalowe oraz miedziano-grafitowe.


Obróbce elektroerozyjnej podlegają wszystkie materiały, które są przewodnikami elektrycznymi, niezależnie od właściwości fizycznych i mechanicznych. Metoda ta pozwala na stosunkowo łatwe kształtowanie przedmiotów z materiałów bardzo trudno obrabialnych lub uznawanych wręcz za nieskrawalne np. węgliki spiekane.

Podstawy fizyczne:
Przyłożenie różnicy potencjałów do erody i przedmiotu obrabianego w szczelinie między nimi powstaje niejednorodne i zmienne w czasie pole elektryczne. Niejednorodność pola jest spowodowana zmienną wielkością szczeliny, nierównościami erody i powierzchni obrabianej oraz niejednorodnymi właściwościami dielektryka spowodowanymi jego zanieczyszczeniem przez produkty obróbki. W miarę narastania napięcia jonizacja rozprzestrzenia się lawinowo w przestrzeni międzyelektrodowej. Powstaje wąski kanał wypełniony plazmą. Przepływający przez kanał prąd powoduje wydzielanie się ciepła, następuje parowanie dielektyka i powstanie rozrastającego pęcherza gazowego wokół kanału plazmy. W wyniku wyładowania na anodzie pojawia się krótkotrwała koncentracja energii elektrycznej i mechanicznej przyspieszonych elektronów w polu elektrycznym. Wskutek gwałtownego wyhamowania na anodzie rozpędzonych elektronów, a na katodzie jonów, w najbliższym otoczeniu wyładowania pojawiają się bardzo wysokie temperatury przekraczające temperaturę topnienia, a często i temperaturę wrzenia materiału elektrod. Prowadzi to do topnienia i intensywnego parowania. Po wyładowaniu pęcherz gazowy się kurczy i dzieli się na dwie części – po jednej przy każdej z elektrod. Następuje dejonizacja kanału międzyelektrodowego i cały cykl powtarza się od początku w miejscu, w którym są najkorzystniejsze warunki do powstania jonizacji.
Powierzchnię po obróbce pokrywa zbiór kraterów kształtem zbliżonych do czaszy sfery. Głębokość kraterów jest tym większa im wyższa jest energia impulsów. Oprócz tego na jakość obrobionej powierzchni ma wpływ czystość dielektryka.

W warstwie powierzchniowej obrobionej tą metodą wyróżnia się trzy charakterystyczne warstwy:

  • warstwa przypowierzchniowa – nadtopione części materiału obróbki z wtrąceniami erody, warstwa ta jest twardsza od pozostałych,
  • strefa wpływów cieplnych w stanie zahartowanym,
  • strefa odpuszczona o zmniejszonej twardości w porównaniu do materiału obrabianego.

Ciecze dielektryczne charakteryzują się następującymi właściwościami:

  • dużą wytrzymałością dielektryczną
  • zdolnością do gaszenia łuku
  • wysoką temperaturą zapłonu
  • małą lepkością
  • skutecznie chłodzić.

Najczęściej na dielektryki stosuje się węglowodory, a z nich najczęściej naftę i olej transformatorowy.

W chwili obecnej wyróżnia się dwie główne odmiany obróbki elektroerozyjnej. Są to:

  • drążenie nazywane EDM (ang. Electrical Discharge Machining),
  • drążenie nazywane EDM (ang. Electrical Discharge Machining),

Odmiany te różnią się postacią elektrod i ich kinematyką, zakresem zastosowań oraz warunkami obróbki.

Obróbka elektrochemiczna materiałów (ECM)

Obróbka elektrochemiczna pozwala na kształtowanie materiałów będących przewodnikami. Naddatek jest usuwany w drodze odpowiedniej reakcji chemicznej w warunkach elektrolizy, odwrotnie niż ma to miejsce w procesach wykonywania pokryć galwanicznych.

Przedmiot obrabiany (anoda) jest połączony z biegunem (+), a narzędzie (katoda) z biegunem (–) prądu stałego (rys. poniżej)


Przykładowa reakcja:
Fe++ + 2 Cl ® FeCl2
FeCl2 + 2NaOH ® 2 NaCl + Fe(OH)2

Przebieg obróbki elektrochemicznej zależy od następujących czynników:

  • rodzaju reakcji chemicznej: dobór katody, anody i elektrolitu,
  • właściwości elektrolitu
  • temperatury elektrolitu, która wpływa na szybkość reakcji
  • napięcia prądu

Odpowiedni dobór ww. czynników umożliwia uzyskanie dużej wydajności, dużej dokładności i małego zużycia elektrody roboczej.

Obróbka elektrochemiczna jest stosowana do obróbki części o skomplikowanych kształtach z materiałów trudnoskrawalnych. Jej wydajność jest od 5 do 15 razy wyższa niż w przypadku obróbki skrawaniem przy poniesionych kosztach od 2 do 7 razy niższych.

Podział

Obróbka elektrochemiczna bezstykowa (elektrolityczna) charakteryzuje się utrzymaniem szczeliny międzyelektrodowej w ciągu całego procesu kształtowania obrabianej części. W czasie trwania obróbki elektroda robocza są dosuwane do części obrabianej, aby zachować właściwą grubość szczeliny międzyelektrodowej.



na początku operacji w końcowej fazie obróbki
Rys. Schemat elektrolitycznego bezstykowego kształtowania powierzchni

W obróbce elektrochemicznej stykowej (ściernej) produkty reakcji elektrochemicznych są usuwane mechanicznie, za pomocą narzędzi ściernych o spoiwie metalowym, ceramicznym lub żywicznym, a także za pomocą luźnego materiału ściernego zmieszanego z elektrolitem.


Rys. Elektrochemiczne szlifowanie płaszczyzn

Obróbka anodowo-mechaniczna jest to proces, który łączy w sobie zjawiska erozji elektrycznej i erozji elektrochemicznej, z mechanicznym usuwaniem zmiękczonych warstw wierzchnich materiału, częściowo powstałych w wyniku reakcji elektrochemicznych i dodatkowo podgrzanych przez wyładowania elektryczne.
Wirująca przewodząca prąd tarcza – elektroda robocza (1) jest podłączona z ujemnym biegunem (-) źródła prądu stałego. Część obrabiana (2) jest podłączona do bieguna dodatniego (+) i wykonuje prostopadły ruch do osi tarczy. Przez dyszę (3) jest tłoczona ciecz robocza (np. wodny roztwór szkła wodnego). Strefa robocza znajduje się pod stałym napięciem, ale przepływ prądu jest stale zakłócany przez szybkie zmiany oporności między obracająca się tarczą a przedmiotem obrabianym. Jest to spowodowane zmianami wielkości szczeliny roboczej od zera do wartości uniemożliwiających przepływ prądu, ponieważ powierzchnie robocze tarczy są rowkowane lub żebrowane.


Rys. Schemat obróbki anodowo-mechanicznej
1 – Elektroda robocza (tarcza przewodząca prąd)
2 – część obrabiane
3 – dysza podająca ciecz roboczą

Obróbka strumieniowo–erozyjna

Obróbka strumieniowa opiera się głównie na wykorzystaniu strumienia cząstek (np. elektronów, jonów, fotonów) o wysokim stopniu koncentracji energii kinetycznej zamieniającej się w cieplną po zetknięciu się z przedmiotem obrabianym, co wywołuje gwałtowny miejscowy wzrost temperatury (powyżej temperatury topnienia) materiału i w efekcie odparowywanie materiału w danym punkcie.

Obróbka elektronowa – obróbka strumieniowa polegająca na wykorzystaniu skoncentrowanego strumienia (wiązki) elektronów do wywołania erozji. Proces ten jest przeprowadzany w wysokiej próżni. W tej obróbce wykorzystuje się zjawisko erozji elektrycznej z tą różnicą, że prędkość strumienia elektronów jest wielokrotnie wyższa niż w obróbce elektroerozyjnej. Wynika to z stosowania wysokich napięć sięgających 150 000 V. Duża energia wiązki elektronów powoduje, że erozja następuje głównie przez odparowywanie.
Obróbka wiązką elektronową ma zastosowanie w drążeniu i wykonywaniu otworów w częściach z żaroodpornych stopów trudno obrabialnych (np. łopatki turbin).

Obróbka jonowa, obróbka plazmowa – obróbka strumieniowa polegająca na wykorzystaniu strumienia silnie jonizowanego gazu czyli plazmy do wywołania erozji obrabianego materiału. Strumień plazmy jest wytwarzany w plazmatronach.


Rys. Schemat budowy plazmotronu

W pierwszej kolejności zapala się łuk elektryczny pomiędzy elektrodą wolframową a dyszą. Wówczas zaczyna się tłoczenie gazu plazmogennego (np. argon, hel, azot) do kanału. Zderzenia elektronów z gazem powodują jonizację jego jonizację. Zjonizowany gaz wypływa z dyszy. Temperatura strumienia plazmy przekracza 10000°C. Głowica korpusu i dysza są cały czas chłodzone.
Obróbka polega na topieniu i częściowo odparowywaniu materiału obrabianego i wydmuchaniu go z dużą prędkością (300¸1000 m/s) z obrabianego otworu lub rowka.
Obróbce plazmowej podlegają materiały zarówno będące przewodnikami prądu elektrycznego, jak i półprzewodniki i dielektryki. Metoda ta jest najczęściej stosowana do cięcia i wykonywania otworów w częściach ze stali wysokostopowych, stopów trudno topliwych i materiałów ceramicznych.
Do obróbki plazmowej zalicza się również nanoszenie powłok z materiałów ceramicznych na powierzchnie części.

Obróbka fotonowa, obróbka laserowa – obróbka strumieniowa polegająca na wykorzystaniu wiązki światła (strumienia fotonów) monochromatycznego wysyłanego przez laser. Metoda ta jest wykazuje znaczne podobieństwo do obróbki elektronowej. Różnice polegają na zastąpieniu wiązki elektronowej strumieniem fotonów, oraz że obróbka odbywa się w normalnej atmosferze a nie w próżni.
Obróbka ta stosowana jest do wykonywania precyzyjnych i bardzo drobnych wgłębień, otworów i przecięć w materiałach trudno skrawalnych.

Obróbka strugą cieczy – obróbka polegająca na usuwaniu określonej objętości materiału strugą cieczy o bardzo wysokim ciśnieniu.